轻水堆核燃料组件

中国核工业ZHONGGUOHEGONGYE 中国核工业 ZHONGGUO HE GONGYE 2007年·第10期·总第 86期 目前,世界上各主要商业核电站均以提高燃耗和核 电经济效益作为营运目标。面对用户对核燃料的需求, 世界各主要核燃料公司积极开发新型高性能燃料组件。 代表性的高性能轻水堆燃料组件有西屋公司的 Performance+和Robust、法马通公司的 AFA-3G和 ALLIANCE、原西门子公司的HTP,以及MOX燃料元 件。 1.Performance+核燃料组件 美国西屋公司在 1992年推出了Performance+高 性能燃料组件 ,以满足用户对高燃耗的 需 求 。 Performance+是在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 燃料组件基础上发展起来的,经 历了 OFA、VANTAGE5、VANTAGE5H、VANTAGE+的 发展过程。燃料组件平均卸料燃耗 55GWd/tU(棒最高 75GWd/tU),其主要的设计改进有:①燃料棒的改进,包 壳管、结构材料采用成熟的 Zirlo合金,燃料棒采用先 进棒(AFR)的设计。②格架的改进,6个中部格架采用 低压降(LPD)格架,材料采用 Zirlo合金。2个端部格架 仍采用无搅混翼的Inconel718格架。3个中间混流格 架 位 于 高 功 率 区 , 材 料 采 用 Zirlo 合 金 。 Performance+燃料组件在组件高功率区段增加了三个 中间混流格架(IFM)。一个保护格架为无搅混翼的 Inconel718格架,它紧靠下管座,作为对外来物的防 护措施之一。保护格架是Performance+独有的。③管座 轻水堆核燃料组件迈向高性能 为满足核电站对核燃料组件可靠性、经济性、灵活性不断提高的要求,核燃料组件的 设计与制造技术不断发展。继续提高轻水堆燃料组件燃耗、解决加深燃耗带来的问 题以及提高燃料元件的安全可靠性,是轻水堆燃料元件发展的趋势。 本期专题———关注核燃料元件制造业 ◎撰文·刘 群 蒋林立 汪永平 35 2007年·第10期·总第86期 中国核工业 ZHONGGUO HE GONGYE 2007年·第10期·总第86期 的改进,采用可拆结构,具有小孔过滤下管座。④具有高 效防金属异物的结构设计,对外来异物的三重防护措 施,燃料可靠性大大提高。⑤使用一体化的燃料可燃毒 物吸收体(IFBA)。⑥组件可修复性,由于组件的上、下管 座是可拆的,可以修复含有破损燃料棒的组件及骨架 有破损的燃料组件。 Performance+燃料组件与法马通公司开发的 AFA-3G 相比,运行经验更丰富。自1992年投入使用 以来,已有上千个组件入堆运行。 2.Robust燃料组件 Robust(即Performance+2)是西屋公司于1997年 推出的高性能燃料组件,与 Performance+燃料组件不 同的是,该组件的导向管壁厚增加了 33%,并优化了搅 混翼和小格架设计以及改进了防异物设计,安全可靠性 进一步提高。 中国引进美国 AP1000的核电技术采用的燃料组 件为Robust改进型,除了Robust燃料组件的全部特征 外,还增加了中间水量搅混格架、顶部可以安装仪表的 低管座、带有上下出气腔的更长的(长 10厘米)高燃耗 燃料棒、一体化压紧的上管座等。 3.AFA-3G核燃料组件 法国压水堆核电站燃料组件设计制造是在美国西屋 公司技术转让的基础上发展起来的。西屋对法国的技术转 让从上世纪70年代开始,直到1994年才终止。法马通公 司本身就是法美核合作的产物(法马通公司的英文名称 Framatome是France、American和atom3个单词合并 在一起的),但法马通公司并不是简单地从西屋公司照搬 燃料设计制造技术,它跟踪了其技术的更新换代,借鉴了 西屋技术的精华,同时也吸收了从法国本国核电站运行核 燃料的反馈经验,形成了法国压水堆核电完全自主和核燃 料制造系列化、标准化的国产化道路。其燃料组件发展过 程为SFA→AFA→AFA-2G→AFA-2GE→AFA-3G。目 前正在研究开发AFA-ALLIANCE新型燃料组件。 AFA-3G是法马通于 1998年推出的新型燃料组 件,它满足了 18个月换料循环、高燃耗、低泄漏装料、燃 料管理 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 具有±2个月灵活性等特点,是目前世界上投 入商业运行的高性能燃料组件之一,包括了 AFA-2G所 有技术上的优点并有所发展。法国安全当局批准的批平 均燃耗在47GWd/U,但实际上,AFA-3G 燃料组件 设计可承受最高燃耗为 60GWd/tU。与AFA-2G相 比,AFA-3G的主要改进表现在: ●提高燃料组件的燃耗,必须提高燃料棒的 UO2 芯块的富集度。改进后的 UO2 芯块富集度为 4.45% U-235。 ●在燃料棒的改进方面,包壳管改用M5合金;燃 料棒加长 l5.6mm,气腔长度增加约 10%,充氮压力由 3.lMPa变为2.0MPa; ●采用了再结晶优化的 Zr-4合金变径管即 MONOBLOCTM 导向管; ●采用了中间搅混格架(MSMG),在3G组件中除 了原有的8个结构格架外,在组件功率密度最大的4、 本期专题———关注核燃料元件制造业 36 中国核工业ZHONGGUO HE GONGYE 中国核工业 ZHONGGUO HE GONGYE 2007年·第10期·总第 86期 ●长循环,循环长度为18或24个月; ●高燃耗,组件批运行燃耗达 55 GWd/ tU,甚至更高; ●高可靠性、安全性,每一循环中的冷却剂 活性小于 0.0185GBq/t,实现燃料棒零破 损,且在整个寿期内不发生影响运行和燃 料吊装的弯曲变形; ●运行的灵活性,主要是循环长度具有灵 活性,避免用电高峰时进行大修; ●减少乏燃料贮量; ●延长电厂寿命,采用低泄漏燃料管理; ●降低燃料制造成本。 5、6跨间 增 加 了 3个 带 搅 混 翼 的 中 间 搅 混 格 架 (MSMG) ,从而增加DNB裕量; ●采用 TRAPPERTM防碎屑装置和低压降的上、 下管座; ●采用了含钆可燃毒物燃料棒等。 1998年10月,首批AFA- 3G换料组件装入法国核 电站反应堆,但组件没有中间混流格架。1999年瑞典 900MW Ringhals堆也使用 AFA- 3G换料,组件带有中 间混流格架。目前,世界上50%左右的采用17×l7燃料 组件的压水堆使用了AFA- 3G燃料组件。 1999年底,大亚湾核电站的 2号机组反应堆首次 装入了4个AFA- 3G先导燃料组件。AFA- 3G燃料组件 在我国使用情况良好。 法马通最近推出了全 M5的AFA- 3G燃料组件,设计 上无重大改变,仅用 M5合金 MONOBLOCTM导向管及 下端塞代替了再结晶的 Zr- 4导向管及下端塞;M5合金的 格架条带代替了再结晶的 Zr- 4格架条带,M5的螺纹套管 代替了 Zr- 4螺纹套管。法马通认为,在设计上要进一步减 少燃料棒堆芯不同部位的生长不平衡量,从而进一步增强 燃料组件抗弯曲性,由于M5合金有优良的性能,增强了组 件的抗腐蚀性能、抗辐照和抗氢化性能,因而增强了燃料组 件可靠性、安全性,设计燃耗达到60GWd / tU。 4. ALLIANCE核燃料组件 法马通开发的ALLIANCE燃料组件1999年先导组 件入堆考验。ALLIANCE燃料组件除沿用了AFA- 3G防 异物下管座和整体导向管以及小格架的设计外,还具有 如下主要新设计特点和性能:①设计燃耗至少达到 75GWd / tU;②高的热工水力性能;③全锆结构搅混格 架;④新的组件结构概念;⑤全部锆合金件均使用 M5 合金,防止过分的辐照生长;⑥可快速拆上组件的上管 座;⑦组件具有高的辐照几何稳定性。ALLIANCE高性 能燃料组件,已于1999年装入法国电力公司(EDF)反应 堆,目标燃耗为65GWd / tU;2000年装入美国反应堆。 高性能燃料组件的主要特点 本期专题———关注核燃料元件制造业 37 2007年·第10期·总第86期 中国核工业 ZHONGGUO HE GONGYE 2007年·第10期·总第86期 5.HPT核燃料组件 HTP燃料组件是西门子动力公司上世纪 80年代 末期开发的产品,1988年首次入堆,1996年12月底燃 耗达到 52GWd/tU,目前已有近20个压水堆使用了 该类组件。 HTP燃料组件在结构设计AFA-3G燃料组件两者 有明显的不同,从而构成HTP燃料组件三大特色: ●低压力降、具有搅混冷却剂功能的无搅混翼的 HTP格架; ●简易可拆的上管座接件设计; ●有效过滤碎片的曲片下管座。 6.MOX燃料组件 MOX燃料的制造始于20世纪50年代,80年代开 始向商业化方向发展,主要 MOX燃料制造厂有法国 MELOX、英国 SMP和日本 PFPF。MOX燃料的制造工 业已经成熟,全世界目前 MOX燃料的生产能力为 213tHM /a,预计到 2010年,将接近 400tHM /a。已 有约 2000多组MOX燃料组件在法国、德国和比利时 等国家 30多座压水堆和沸水堆中使用,平均燃耗达 40GWd/tHM,还有20座正在申请许可证。大多数是 1/3MOX装料(也有1/2MOX装料的)。 (作者单位:中国核科技信息与经济研究院) 本期专题———关注核燃料元件制造业 裂变反应堆类型很多。裂变反应根据堆内中子能量大小, 分为快中子反应堆和热中子反应堆等堆型;以水作为慢化剂的 热中子反应堆根据氢原子中的中子数不同,可以分为轻水堆 (LWR)、重水堆等堆型;轻水堆根据冷却剂状态不同,可以分为 压水堆、沸水堆等堆型。 压水堆(PWR):使用加压轻水作冷却剂和慢化剂,水压约 为 15.5MPa,水在堆内不沸腾,驱动汽轮发电机组的蒸汽在反 应堆以外产生,借助于蒸汽发生器实现,蒸汽压力为 6～7MPa。 燃料为浓缩铀或MOX燃料。 沸水堆(BWR):使用轻水作冷却剂和慢化剂,水在堆内沸 腾,压力约为7MPa,驱动汽轮机发电机组。燃料为浓缩铀。 重水堆(CANDU)和压力重水堆(PHWR):重水堆原理与 轻水堆相似,只是重水堆的慢化剂和一回路冷却剂是重水。因 为重水热中子吸收截面远小于普通水的热中子吸收截面,所以 可以用天然铀作为重水堆的核燃料。 快中子增殖堆(FBR):堆内不使用慢化剂,冷却剂可采用 钠冷、铅冷等多种形式,因其中子未经慢化,故称为快中子堆。 堆芯裂变反应的快中子被装在外围的铀-238吸收后,变成钚- 239。当增加的钚-239的量与堆芯消耗量的比大于1∶1的时候, 就实现了增殖。故称为快中子增殖堆。 (张睿供稿) 裂变反应堆类型简介 38